紧急停车系统ESD

第一讲 ESD紧急停车系统1 名称、作用、构成紧急停车系统（Emergency ShutDown system ESD）亦称为安全仪表系统（Safety Instrument System SIS）、安全联锁系统（Safety Interlock System SIS）、安全关联系统（Safety Related System SRS）、仪表保护系统（Instrument Protective System IPS）等。如下统称ESD。大多石油和化工生产过程具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等危险。当某些工艺参数超过安全极限，未及时解决或解决不当时，便有也许导致人员伤亡、设备损坏、周边环境污染等恶性事故。这就是说，从安全的角度出发，石油和化工生产过程自身存在着固有的风险。ESD是一种经专门机构认证、具有一定安全度级别，用于减少生产过程风险的安全保护系统。它不仅能响应生产过程因超过安全极限而带来的危险，并且能检测和解决自身的故障，从而按预定的条件或程序使生产过程处在安全状态，以保证人员、设备及工厂周边环境的安全。ESD由检测单元（如各类开关、变送器等）、控制单元和执行单元（如电磁阀、电动门等）构成，其核心部分是控制单元。从ESD 的发展过程看，其控制单元部分经历了电气继电器（Electrical）、电子固态电路（Electronic）和可编程电子系统（Programmable Electronic System），即E/E/PES三个阶段。图1为由PES构成的ESD。输出模块输入模块检测单元控制模块执行单元PES图1 ESD的构成2 ESD的有关原则及认证机构鉴于ESD波及到人员、设备、环境的安全，因此各国均制定了有关的原则、规范，使得ESD的设计、制造、使用均有章可循。并有权威的认证机构对产品能达到的安全级别进行确认。这些原则、规范及认证机构重要有： 国内石化集团制定的行业原则SHB-Z06-1999石油化工紧急停车及安全联锁系统设计导则。 国际电工委员会1997年制定的IEC 61508/61511原则，对用机电设备（继电器）、固态电子设备、可编程电子设备（PLC）构成的安全联锁系统的硬件、软件及应用作出了明确规定。 美国仪表学会制定的ISA-S84.01-1996安全仪表系统在过程工业中的应用。 美国化学工程学会制定的AICHE（ccps）-1993，化学过程的安全自动化导则。 英国健康与安全执行委员会制定的HSE PES-1987，可编程电子系统在安全领域的应用。 德国国标中有安全系统制造厂商原则-DIN V VDE 0801、过程操作顾客原则-DIN V 19250和DIN V 19251、燃烧管理系统原则-DIN VDE 0116等。 德国技术监督协会（TV）是一种独立的、权威的认证机构，它按照德国国标（DIN），将ESD所达到的安全级别分为AK1AK8，AK8安全级别最高。其中AK4、AK5、AK6为合用于石油和化学工业应用规定的级别。3 ESD和DCS的比较DCS与由PES构成的ESD的重要区别有：DCSESD构 成不含检测、执行含检测、执行单元作用（功能）使生产过程在正常工况乃至最佳工况下运营超限安全停车工 作动态、持续静态、间断安全级别低、不需认证高、需认证4 ESD设计应遵循的原则 原则上应独立设立（含检测和执行单元）； 中间环节至少； 应为故障安全型； 采用冗余容错构造。5 故障安全原则构成ESD的各环节自身浮现故障的概率不也许为零， 且供电、供气中断亦也许发生。当内部或外部因素使ESD失效时，被保护的对象（装置）应按预定的顺序安全停车，自动转入安全状态（Fault to Safety），这就是故障安全原则。具体体现： 现场开关仪表选用常闭接点，工艺正常时，触点闭合，达到安全极限时触点断开，触发联锁动作，必要时采用“二选一”、“二选二”或“三选二”配备。 电磁阀采用正常励磁，联锁未动作时，电磁阀线圈带电，联锁动作时断电。 送往电气配电室用以开/停电机的接点用中间继电器隔离，其励磁电路应为故障安全型。 作为控制装置（如PLC）“故障安全”意味着当其自身浮现故障而不是工艺或设备超过极限工作范畴时，至少应当联锁动作，以便按预定的顺序安全停车（这对工艺和设备而言是安全的）；进而应通过硬件和软件的冗余和容错技术，在过程安全时间（PST-Process Safety Time）内检测到故障，自动执行纠错程序，排除故障。6 隐故障与显故障 隐故障（Covert Fault）：不对危险产生报警，容许危险发展的故障，是故障危险故障（SHB-Z06-1999）。Covert Fault：Fault that can be classified as hidden， concealed， undetected， unrevealed， latent， ect. （ISA-S84.01-1996） 显故障（Overt Fault）：能显示出故障自身存在的故障，是故障安全故障（SHB-Z06-1999）。Overt Fault：Fault that can be classified as announced， detected， revealed，ect.（ISA-S84.01-1996）7 安全性及响应失效率当工艺条件达到或超过安全极限值时，ESD本应引导工艺过程停车，但由于其自身存在隐故障（危险故障）而不能响应此规定，即该停车而拒停，减少了安全性。衡量安全性的指标为响应失效率或称规定的故障率（PFD：Probability of Failure on Demand）。它是安全联锁系统按规定执行指定功能的故障概率。是度量安全联锁系统按规定模式工作故障率的目的值（SHB-Z06-1999）。不同的工业过程（如生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂限度等）对安全的规定是不同的。上述的国际原则将其划分为若干安全度级别（SIL：Safety Integrity Level）。SIL和PFD的相应关系见表1：表1ISA-S84.01IEC 61508DIN V 19520（TV）PFDSIL.1SIL.1AK110-110-2AK2AK3SIL.2SIL.2AK410-210-3SIL.3SIL.3AK510-310-4AK6SIL.4AK710-410-5AK88 可用性及可用度工艺条件并未达到安全极限值，ESD不应引导工艺过程停车，但由于其自身存在显故障（安全故障）而导致工艺过程停车，即不该停车而误停，减少了可用性。可用度（A：Availability）是指系统可使用工作时间的概率，用百分数计算： （SHB-Z06-1999）MTBF：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures）MDT：平均停车时间（Mean Downtime）9 冗余和容错冗余（Redundant）：具有指定的独立的N：1重元件，并且可以自动地检测故障，切换到后备设备上。（SHB Z06 1999）冗余系统（Redundant System）：并行地使用多种系统部件，以提供错误检测和错误校正能力的系统。（SHB Z06 1999）。容错（Fault Tolerant）：具有内部冗余的并行元件和集成逻辑，当硬件或软件部分故障时，可以辨认故障并使故障旁路，进而继续执行指定的功能。或在硬件和软件发生故障的状况下，系统仍具有继续运营的能力。它往往涉及三方面的功能：第一是约束故障，即限制过程或进程的动作，以避免在错误被检测出来之前继续扩大；第二是检测故障，即对信息和过程或进程的动作进行动态检测；第三是故障恢复即更换或修正失效的部件。（SHB Z06 1999）容错系统（Fault Tolerant System）：具有容错构造的硬件与软件系统。（SHB Z06 1999）总之，通过冗余和故障屏蔽的结合来实现容错。容错系统一定是冗余系统，冗余系统不一定是容错系统。容错系统的冗余形式有双重、三重、四重等。图2和图3A.B分别表达CPU冗余（双机热备）和三重化冗余容错系统。CPU 1CPU 2开关输入/输出现场设备图2 CPU冗余（双机热备）输入输入输入CPU CCPU B输出输出2oo3 表决器输出CPU A输入端子输出端子图3A 三重模块冗余容错系统图3B 三重信号冗余容错系统10 冗余逻辑的表决措施及其与安全性、可用性的关系表决措施隐故障概率（拒动）显故障概率（误动）容许不容许安全性可用性一选一 1oo10.02（短路的概率）0.04（开路的概率）存在隐故障和显故障差差二选一 1oo20.0004（两个均短路的概率）0.08（只要有一种开路的概率）其中之一存在隐故障（仍可安全停车其中之一存在显故障（将误停车）最佳最差二选二 2oo20.04（只要有一种短路的概率）0.0016（两个均开路的概率）其中之一存在显故障（不会误停车）其中之一存在隐故障（该停拒停）最差最佳三选二 2oo30.0012（三个中两个均短路的概率）0.0048（三个中两个均开路的概率）其中之一存在隐故障或显故障其中两个存在隐故障或显故障较好较好注：此表中故障概率数据摘自西门子公司资料以上可见： 隐故障（危险故障）使ESD该动而拒动，隐故障概率越高，安全性越差。 显故障（安全故障）使ESD不该动而误动，显故障概率越高，可用性越差。 1oo2（二选一）安全性最佳，但可用性最差；2oo2（二选二）可用性最佳，但安全性最差；2oo3（三选二）可兼顾安全性和可用性，但构造复杂，成本高。11 一般PLC和安全PLC的区别一般PLC和可以作为ESD控制部分的安全PLC的重要区别是：一般PLC不是按故障安全型设计的，当系统内部元件浮现短路故障时，它并不能检测到，因此其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态。这种PLC只能用于安全度级别规定低的场合。现以输出电路为例予以阐明。+24VDC来自CPU的控制信号接负载，如电磁阀0V DC12图4是一般PLC DO卡示意图。图4 一般PLC DO卡示意图当1、2两点短路时，来自PLC的控制信号将不起作用（失效），电磁阀将始终处在带电（励磁）状态，即需要联锁动作（电磁阀释电停车）时，由于此故障的存在而拒动，其输出不能保证处在安全停车状态。这就是违背了故障安全（Fault to Safety）的原则。当1、2两点开路时，将导致误动作而停车，同样会带来损失。可见，这种一般PLC的DO卡输出电路的安全性和可用性都是不高的。“与”看门狗中央解决器+24VDC状态信号控制信号状态信号接负载，如电磁阀0V DC图5所示为一种带有安全性单容错的DO卡示意图（它是Honeywell SMS FSC-101型输出示意图）。图5 安全性单容错DO卡示意图这里，中央解决器不仅向串联的场效应管（FET）发出控制信号，并且还接受来自场效应管的状态反馈信号，以便对其输出进行全面测试。当测得某管输出发生短路时，中央解决器即启动纠错动作，隔离有关的故障。看门狗（Watch Dog）是个多通道的计时器电路。它由中央解决器和内存等周期性地触发，如果两个触发之间的时间不不小于某设定值或者不小于某最大值，则看门狗的输出将失效。同步看门狗还能监视内部工作电压，使之在正常的电压范畴内。以上仅是DO卡上的差别。作为安全PLC，至少应具有如下几点： 满足有关安全原则规范规定，且通过权威机构认证，获得了相应安全级别证书； 在硬件和软件上采用冗余、容错措施，具有完善的测试手段，当检测到系统故障，特别是危险故障时能使系统回到安全状态； 能进行系统故障报警，批示故障因素、故障位置，便于在线维护； 能与DCS或其他设备进行通讯。12 获得TV认证的ESD产品 FSC（Fail Safe Control）由荷兰PF（Pepperl & Fuchs）公司开发，1994年被Honeywell公司收购。安全级别可达AK6。 Regent Trusted美国ICS运用宇航技术开发的安全系统。安全级别 AK4AK6。 Tricon、Trident美国Triconex公司开发，用于压缩机综合控制（ITCC）和紧急停车系统。安全级别为AK6。 GE Fanuc 90-70美国GE公司开发。其中GMR（模块式冗余容错系统）的安全级别为Class 5（2oo3）、Class 4（1oo2）和Class 5（2oo2）。 QUADLOG 由Moore公司开发。日本横河公司收购后称Prosafe PLC，其1oo2D构造安全级别达AK6。 SIMATIC S7-400F/FH德国SIEMENS公司产品。400F和400F分别为1个CPU和2个CPU运营fail-safe（F）顾客程序，均获得TUV认证，安全级别为AK1AK6。 SC300EAUGUST System公司开发，1997年成为ABB集团成员之一。安全级别为Class 5和Class 6。13 工艺过程风险的评估及安全度级别的评估不同的工艺过程（生产规模、原料和产品的种类、工艺和设备的复杂限度等）对安全的规定是不同的。一种具体的工艺过程，与否需要配备ESD、配备何种级别的ESD，其前提应当是对此具体的工艺过程进行风险的评估及安全度级别（SIL）的评估。在拟定了某个具体工艺过程的安全度级别（SIL）之后，再配备与之相适应的ESD。表1可以看出，若某工艺过程经评估后为SIL 2，则配备达到AK4的ESD即可，其响应失效率（PFD）为百分之一至千分之一之间。应当注意的是不同安全级别的ESD，只能保证响应失效率（PFD）在一定的范畴内，安全级别越高的ESD，其PFD越小，即发生事故的也许性越小，但它不能变化事故导致的后果。因此，工艺过程安全度级别的评估是一项十分重要的工作。但目前国内尚无如何评估安全度级别的原则和规范。2中列出的国际、国外原则中提供了某些评估措施。下面简介的风险矩阵（RISK MATRIX）评估措施可供参照。这种措施以工艺过程事故浮现的频率（也许性）及其危害限度（严重性）为风险评估的指标，并对频率和危害限度人为量化为若干级，作出矩阵表（见表2）。以此拟定工艺过限度安全度级别。表2频率 危害限度很低（以上）低（4）中（0.54年）高（00.5年）轻微DCS报警DCS联锁DCS联锁轻DCS报警DCS联锁SIL1SIL2中DCS联锁SIL1SIL2SIL3大SIL1SIL2SIL3SIL4重大SIL2SIL3SIL4SIL4表2中频率分级的年限（多少年浮现一次）考虑了采用DCS进行监视、控制以及正常操作规程等对于减少事故浮现频率的奉献，但不考虑ESD的存在。表2中危害限度从经济损失、人身伤害和环境危害三个方面予以量化。如表3所示。表3危害限度经济损失（美元）人身伤害环境危害轻微150万导致多人伤残、死亡波及周边14 逻辑运算的基本规则 互换律 AB = BA A + B = B + A 结合律 ABC = A( BC ) A + B + C = A + ( B + C ) 分派律 A( B + C ) = AB + AC A + ( BC) = ( A+B )( A+C ) 反复律 AAAA = A A + A + A + A = A 自等律 A1 = A A + 0 = A 吸取律 A( B + A ) = A A + ( BA ) = A 互补律 AA = 0A + A = 1 01律 A0 = 0 A + 1 = 1 非非律 A = A 反演律 ABC = A + B + CA + B + C = ABC